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专为关键电力应用设计:600V大型模组化不断电系统
[作者 伊頓]   2019年11月25日 星期一 浏览人次: [7848]

相较於采用隔离变压器的系统,现今的无变压器不断电系统(UPS systems)体积更小、重量更轻,同时效率更高也更可靠,并且在各项应用中也具有更优异的能耗表现。然而,若是探讨600V不断电系统的设计,则不论是从整体安全、故障处理到系统效率等仍有许多面向依旧充满挑战。不过,由於600V不断电系统所需的既定电力负载其电流量较小,因此600V仍旧受到各国青睐,加拿大与美国一般就是指定采用600V的不断电系统。



图一 : 探讨600V不断电系统的设计,不论是从整体安全、故障处理到系统效率等有许多面向依旧充满挑战。
图一 : 探讨600V不断电系统的设计,不论是从整体安全、故障处理到系统效率等有许多面向依旧充满挑战。

本文中,我们优先将环境设定为600V的工作电压,在此条件下探讨该环境中可提供最隹技术UPS产品的各种方法。目标是为了在提供更高的配电容量和更低的铜成本(相较於480V)下,依然能具备例如ESS节能技术和可变电力模组节能系统(VMMS)等复杂的功能,如此才得以藉由降低机械复杂性而提高可靠性,同时降低电力成本。


因此,旧有的隔离变压器UPS技术与现代的无变压器设计之间也可以有所妥协,并带来实惠价值以保有高可靠性和极高效率的运作。使用者也能享受到小巧轻量的好处,并大幅节省电源与冷却成本,资金也就能运用於其他创造营收的资料中心项目上。


本文讨论「原生600V」无变压器和自耦变压器UPS系统的技术面向,并详细说明它们可提供的优势。


600V UPS的设计选择

传统上,不断电系统的输入和输出电压是透过变压器所设定。不断电系统的输入变压器会调高或降低市电电压,为不断电系统的整流器电子设备提供最隹电压。 不断电系统的输出变压器,则会调高或降低原逆变器的输出电压,通常是208V,400V,480V或600V,进而满足用户的需求。


事实上,这些电压转换可以透过隔离(“ iso”)变压器或自耦变压器来执行。然而,无变压器不断电系统既没有输入变压器也没有输出变压器,这些现代不断电系统的设计,不需要转换不断电系统的输入和输出电压即可运转。只是它们的额定电压仅限於208V,400V或480V,无法符合许多对於600V的应用需求。因此,不论设计人员选择的不断电系统是原生600V(无变压器)或基於变压器,两者我们都会考量。


原生 600V 不断电系统的设计考量

原生600V 不断电系统其最直接的优势就是没有传统的输入和输出变压器,进而节省了物理空间、重量和热能损失,即为效率。然而,与现有的400V和480V机器相比,原生600V的设计还需要几项新增的或微调的子系统。


所有的电力转换器和其他相关电路,都需要大幅度地重新设计:


· 需要1800V IGBT晶体管。(与现有的1200V装置相比,可靠性和开关速度可能会受到影响)


· 感测装置和内部突波保护器都需调整为更高电压


· 滤波电容器需调整为较高电压额定,从而影响MTBF(平均故障间隔 - Mean Time Between Failures)失效前的平均时间


· 调整动力传动可能会增加耗能,降低系统效率


基於上述原因、特别可能会因降低效率,使得原生600V不断电系统较不受青睐;相较之下,使用既有的480V 不断电系统产品,再调整输入和输出变压器以提供所需的600V输入和输出,会比较吸引人。话虽如此,无变压器设计的其他好处还是引人注目且令人信服。


以变压器为基准的600V不断电系统设计

以变压器为基准的不断电系统产品有两种选择。不断电系统可以使用传统的隔离变压器,也可使用更小更轻的自耦变压器。使用隔离变压器的不断电系统时,对於既有480V 不断电系统的更动调整最小且可立即生产,不过在效能和效率方面,与无变压器的机器相比,还是有明显不足。


因此,较为可行的方式是采用480V的无变压器不断电系统,再加上输入和输出自耦变压器以达到所需电压,而不需承受更大、更重、效率更低的隔离变压器。自耦变压器不断电系统具备无变压器和以变压器为基准两项解决方案的优点。


这些优点和优势将在後续各段落中介绍。首先,会比较隔离变压器和无变压器,之後再评比隔离和以变压器为基准的自耦变压器产品。


无变压器不断电系统的发展概述

无变压器不断电系统的设计迄今已存在二十年,最早采用较低的功率水准。如今,大多数低於300 kVA的设计都采用无变压器,这也表示不断电系统不包含电源线频率电磁装置(变压器或电感器)。由於电源线的磁性组件为材料和劳力密集,这类无变压器设计趋势内涵更高功率水准;另一方面,所需的高频功率处理则是技术密集。


一般而言,科技的进步已经足够成熟,能在不牺牲可靠性的情况下帮客户提供更高的价值。一旦达到这一点,技术密集型设计便可成为首选的价值领导者。技术的进步,也对於开关模式的电源供应(例如伺服器,储存和网络设备中使用的开关电源)带来类似影响。


无变压器的不断电系统:持续成长的趋势

当超过30 kVA、甚至高达1200 kVA的更高功率水准时,如何在高电压下快速切换大电流而不会造成高损耗或峰值电压过高,这才是最大的挑战。高功率IGBT(绝缘栅双极电晶体 - Insulated Gate Bipolar Transistor)在过去十年已成熟到可使用10 kHz或更高的转换频率,且在较高功率水准下也不会牺牲效率。


此外,一些有创意的控制策略还可以进一步降低开关损耗,让无变压器不断电系统在系统效率方面可优於旧款的不断电系统。


隔离变压器与无变压器不断电系统的比较























































特色



隔离变压器不断电系统



无变压器不断电系统



重量与大小



 



通常重量减轻25%,体积减少40%



效率



90%至93%



92%至97%



节能模式



效率较低,转换速度较慢



效率达99%,转换时间约 2 毫秒



4线输出可用性



可以



可以



独立分开电源



不支援旁路配置



不支援电池



支援 HRG 电源



可以,但降低 HRG 优势



可以,HRG 容错功能保留



可靠性 (MTBF)



较低



较高,因为拥有较少元件



限制错误电流,降低电弧闪光



良好



更好,因为侦测更快且独立(不因为输出阻抗而变慢)



发电相容性



需要更大的滤波器、接触器以及发电机



能与大小相近的发电机相容,并减少原件数且提高效率同时,不需要12脉冲整流器或输入滤波器



了解自耦变压器在无变压器不断电系统中的应用

世界各地许多无变压器不断电系统都是设计用於特定工作电压。为了满足市场对不同工作电压的需求,不断电系统模组的制造商会在原生480V不断电系统模组上,使用输入和输出变压器,以达到整个系统所需的工作电压。例如,新的工作电压如果是600V,由於使用的是经过验证的设计,且体积增加而降低了零件成本,当自耦变压器结合到原生480V 不断电系统设计中,则可提高整体系统的可靠性。使用自耦变压器有助於降低成本和空间面积,同时实现变压器等不断电系统模组的最大效率,且不会影响整体系统的电压需求与设计。


自耦变压器(有时称为自动降压变压器)是一种只具有一个绕组的变压器。「自动(auto)」的前置代号是指作用於自身的单个线圈,而不是任何类型的自动机制。在自耦变压器中,同一绕组的部分会同时作为变压器的初级侧和次级侧。 (相反,隔离变压器具有未连接的单独的初级绕组和次级绕组)。自耦变压器绕组具有至少三个分接头,用於进行电力连接。


由於部分绕组确实具有「双重用途」,自耦变压器通常具备比一般双绕组变压器更小、更轻也更便宜的优点。对於既定的尺寸和质量,自耦变压器的其他优点则包括更低漏电抗,更低损耗,更低励磁电流,更好的输入功率因数以及KVA额定值的增加。使用自耦变压器的不利因素,则包括无法消除三阶和更高阶谐波,但如果是设计完善的整流器也能用电子方式消除这些谐波。


图二 : 自耦变压器原理图
图二 : 自耦变压器原理图

具备自耦变压器的高电阻接地

作为其中一个选项,伊顿无变压器不断电系统模组的设计,具备在电源为高电阻接地(HRG)时仍有承受负载的能力,且要加装自耦变压器也毫无困难。客户无需按照美国NEC250.186法规将中性线连接到不断电系统。如果站点使用双电源,且每个电源都是一个单独的HRG,则不断电系统将正常运行;若是如此,仍应通知工厂,进行适当拉线。


比较不断电系统中的自耦变压器及隔离变压器

一般情况下,自耦变压器仅会带来轻微的效率损失,估计约1%。较大的隔离变压器设计通常则会提造成2%或更高的效率损失。与隔离变压器相比,自耦变压器降低了成本、减小了占地面积、增加了KVA、降低了总损耗、减少了对整个无变压器不断电系统的影响并提高了额定效率,自耦变压器确实是更适合不断电系统模组系统电压转换的变压器。


自耦变压器相对於传统iso变压器的优势:


1.体积更小,重量更轻(30%)。


2.降低铁心和热量损失(每台变压器1%)。


3.改善发电机介面的输入功率因数(.99对0.9)。


4.较低的输出阻抗,可提供更好的暂态回应和更快的故障检测与回应。


5.无磁化延迟,允许快速转换,这也是伊顿ESS和VMMS等操作模式的特有特色。


自耦变压器不断电系统也不尽相同

和以隔离为基准的变压器的系统相比,自耦变压器不断电系统具有许多优势,但两者又不完全相同。决策者在为任务关键型的应用选择自耦变压器不断电系统时,建议应坚持以下特性:


1.体积小,重量轻:自耦变压器不断电系统会比以隔离为基准的变压器产品明显更小,更轻,且不仅仅是因为未包含笨重的变压器。 不断电系统还应具有小巧的磁性材料(例如电感器,扼流圈和铁氧体)以及气流改善功能,让散热器的尺寸和重量最小化,并减少冷却所需的风扇数量。请注意,除了节省空间外,这些增强功能也可以提高机组的可靠性。


2.能够从接地的WYE甚至是HRG源操作:如何正确处理中性线,安装文件应已清楚说明。应特别注意上游和下游的故障性能,不断电系统应该能够提供4线负载,例如208 / 120V和400 / 230V。


3.从高效率到常规操作模式的过渡时间短:由於自耦变压器UPS在高效和常规运行之间转换时无需磁化输出隔离变压器,因此自耦变压器UPS应该能在2毫秒左右内完成转换。超过10毫秒的转换时间可能会导致下游静态交换机或支援的IT设备本身出现问题。


结论

无变压器动力传动若具备小型轻巧的滤波电感器,采用高性能IGBT(绝缘栅双极电晶体 - Insulated Gate Bipolar Transistor)的逆变器和整流器,并辅以先进的控制策略,就能带来更高的性能和价值。和以隔离为基准的变压器UPS相比,无变压器的不断电系统重量通常仅有25%,占原有空间的60%。满载效率可以达到95%或更高。凭藉这些新的优点,这类技术密集型设计已成为首选的不断电系统架构。具备上述特性的无变压器不断电系统,是采用自耦变压器为600V电源提供电压转换,能让客户在满足目前业界领先的效率要求并在减少占地面积时仅增加最小成本。


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